（环境工程专业论文）壳聚糖絮凝剂制备工艺改进及其絮凝性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 壳聚糖是一种天然有机高分子絮凝剂，具有无毒、无害、生物相容性和多功 能性等特点，有着广泛的应用前景。本文建立了静态浸润法制备壳聚糖的新工 艺，同时优化了新的工艺条件，并对壳聚糖分子量的测定方法进行了规范；在此 基础上，对工艺废水进行了资源化处理研究：并考察了壳聚糖自身品质以及外部 条件对其絮凝性能的影响。其主要结果与结论如下： 采用静态、浸润法脱乙酰基制备壳聚糖的最佳条件：l g 甲壳素与7 0 浓 度( m v ) n a o h 溶液5 m u v v = 1 ：1 ) ，无搅拌，1 1 8 。c 反应4 小时，制得脱乙酰度( d d 值) 7 8 3 ，分子量6 x 1 0 5 的壳聚糖。此方法与传统工艺相比，可节省浓碱用量 近7 0 ，且无需机械搅拌，大大降低了生产成本，有着良好的经济、环境、社 会效益。 配制的壳聚糖原溶液初始浓度不同，测出的粘度分子量也不同，当壳聚糖 溶液浓度在o 0 5 9 5 0 m l - - 0 2 9 5 0 m l 范围时，测定的壳聚糖分子量比较稳定。 对废碱液进行回收利用，回收了工艺废水中的蛋白质和氢氧化钙，降低了 工艺成本；将生产排放的废液依次经过混凝、v t b r 二级生化处理、f e n t o n 试剂 氧化使出水c o d 小于1 0 0 m g l ，澄清透明，再经过反渗透除盐处理可作为工艺洗 涤水回用，做到了经济与环保的双赢。 壳聚糖脱乙酰度和分子量的提高有助于降低其用量。但壳聚糖脱乙酰度增 加到7 5 后，达到相同絮凝效果时投加量的降低程度很小：考虑到高脱乙酰度 的壳聚糖制备成本也高，作为絮凝剂，壳聚糖脱乙酰度大于7 5 即可。脱乙酰 度对壳聚糖絮凝性能的影响远远高于分子量的影响。 壳聚糖不论对于低浓度痕量含c u 2 + 废水还是高浓度的含c u 2 + 废水，均有 很好的絮凝效果去除率都在9 0 以上。对于低浓度含c u 2 + 废水壳聚糖絮凝以 螯合作用为主；对于高浓度的含c u 2 + 废水壳聚糖絮凝以吸附架桥为主。 关键词：壳聚糖：甲壳素；絮凝剂；制各；废水处理 壳聚糖絮凝剂制各工艺改进及其絮凝性能研究 a b s t r a c t c h i t o s a ni so n eo ft h en a t u r a lp o l y s a c c h a r i d ef l o c c u l a n t s a d v a n t a g e so fc h i t o s a n ， s u c ha s h a r m l e s s ，l i v i n gc o m p a t i b i l i t i e sa n dm u l t i f u n c t i o n ，m a d e i t p r o m i s i n gi n a p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，r e s e a r c hw o r k sc a r r i e do u to nc h i t o s a nh a v eb e c o m ep o p u l a r r e c e n t l y t h i sp a p e rd e v e l o p san e wm e t h o do ft h ep r e p a r a t i o no fc h i t o s a ni nw h i c h d e a c e t y l a t i o no f c h i t i nu n d e ri m m e r s e d s t a t i cc o n d i t i o n si se v a l u a t e da n dt h ep r o d u c e c r a f to fc h i t o s a ni sm o d i f i e da sw e l l t h i s p a p e ra l s os t r e n g t h e n s i t s s t a b i l i t y o f m e a s u r e dv a l u eb y i m p r o v i n g t h em e a s u r e m e n to fc h i t o s a nm a s s - w e i g h t f u r t h e rm o r e ， r e s e a r c ho nh o wd i f f e r e n tf a c t o r si n f l u e n c e dt h ef l o c c u l a n tc a p a b i l i t i e so fc h i t o s a nw i l l b ep r o v i d e d t h e k e yf i n d i n g so f t h i sp a p e ri n c l u d e ： d e a c e t y l a t i o no fc h i t i n u n d e ri m m e r s e d s t a t i c c o n d i t i o n s ( s o l i d s s o l v e n tr a t i o ( v v ) = 1 ：1 ；n oa g i t a t i n g ；w i t h 7 0 n a o h ；1 1 8 * c f o r4 h ) i se v a l u a t e df o rt h ep r e p a r a t i o no f c h i t o s a n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h i s a p p r o a c h c a nr e d u c et h e d o s a g e o ft h e e x h a u s t e da l k a l i n e a p p r o x i m a t e l y7 0 t r e a t e dc h i t o s a ns h o w ss i m i l a rd e g r e eo f d e a c e t y l a t i o n ( 7 8 3 ) ，b u ts i g n i f i c a n t l yh i g h e rm o l e c u l a rm a s s ( 6 x 1 0 5 ) c o m p a r e d w i t ht h o s eo ft h ec o m m e r c i a lc h i t o s a n c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a l c r a f t ，t h i s m e t h o dd o e sn o tn e e dt h em a c h i n ea g i t a t i o n ，r e d u c e st h ep r o d u c t i o nc o s ta n dh a sa b e t t e rs o c i a lp e r f o r m a n c e t h i sr e s e a r c hd i s c o v e r st h a td i f f e r e n tm a s sw e i g h t sa r ea c q u i r e df r o md i f f e r e n t o r i g i n a ld e n s i t yo fc h i t o s a ns o l u t i o n h o w e v e r ，w i t h i nt h er a n g eo f0 0 5 9 5 0 m l - - o 2 9 5 0 m lt h er e s u l tm e a s u r e do fm o l e c u l a rw e i g h ti ss t a b l e a q u ad e n s i t yi so v e r l o wi fi ti sl o w e rt h a no 0 5 9 5 0 m l a n dt h el i n eb e h a v i o ri sn o tg o o d i fi ti s h i g h e r t h a no 2 9 5 0 m l , t h et r e n do fd e s c e n ti st o o s h a r p t om e a s u r et h em o l e c u l a r w e i g h t s e r i o u sp o l l u t i o nc o m e sw i t ht h ep r o d u c t i o no fc h i t o s a nn o r m a l l ya n dt h ec u r r e n t p o l l u t i o n - - t r e a t m e n tm e t h o d s a r en o tp e r f e c t t h i s p a p e rp r o v i d e s a s u p e r i o rm e t h o d t ot r e a tt h ew a s t e w a t e r i tc o s t s v e r yl i t t l et oa c q u i r et h ep r o t e i na n dc a l c i u mh y d r o x i d e ， a n da tt h es a m et i m et h ew a s t e w a t e re x h a u s t e dc a nb er e u s e di nc r a f t w a s ha f t e rb e i n g i i 大连理工大学硕士学位论文 t r e a t e d i nt h i sp a p e r ，t h ep h e n o m e n o no ff l o c c u l a t i n gk a o l i n i t ea q u ai st e s t e d t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h eh i g h e rt h ed da n dm a s sw e i g h ta r e ，t h eh i g h e rt h er e m o v i n gr a t e w i l lb e i np a r t i c u l a r ，w h e nt h ed de x c e e d s7 5 ，t h er e m o v i n gr e s u l ti sn o ti n c r e a s i n g o b v i o u s l ya n do nt h eo t h e rh a n dw i t ht h ei n c r e a s eo fd d ，t h ec o s to fp r e p a r i n gi s h i g h e r s ot h ee x p e c t e dd di s 7 5 t h ei n f l u e n c eo fd dt of l o c c u l a t i o ni sm o r e i m p o r t a n tt h a ni t i so ft h em a s sw e i g h t m o r e o v e r ，t r e a t i n gt h ec u 2 + w a s t e w a t e rw i t h c h i t o s a na l s oa c q u i r e sag o o dr e s u l t k e yw o r d s ：c h i t o s a n ；c h i t i n ；f l o c c u l a n t ；p r e p a r a t i o n ；w a s t e w a t e r t r e a t m e n t - l i i 壳聚糖絮凝剂制各工艺改进及其絮凝性能研究 刖若 虽然壳聚糖目前在国内己得到初步工业化的生产，但相对其他絮凝剂来说其 生产成本还是过高，限制了其在污水处理领域中的应用。目前其主要应用在医 疗、化工、材料、饮用水净化领域。所以改进壳聚糖生产工艺，降低其生产成 本，是扩大壳聚糖在污水处理领域中应用的关键，也是目前需迫切解决的问题。 本文参考了国内外相关文献，对壳聚糖制各方法进行了大量研究工作，并在此基 础上，建立了静态浸润法制备壳聚糖的新工艺，同时对该新工艺进行了优化，改 进了壳聚糖生产工艺，降低其生产成本。 壳聚糖制备研究中，评价壳聚糖质量性能的指标之一是壳聚糖的分子量。而 用来表征壳聚糖分子量的参数包括：用旋转粘度计测定的表观粘度和用乌式粘度 计测定的特性粘度，其中比较常用的是特性粘度。但在特性粘度测定过程中，由 于配置的壳聚糖原溶液浓度不同，测定出的壳聚糖的分子量也不同，加上国家目 前还没有相关的测定规范，使不同的科研工作者的成果难以比较。本文通过规定 壳聚糖溶液测定时的浓度配置范围，使壳聚糖分子量的测定值更加稳定，更加具 有可比性。 壳聚糖生产过程产生的工艺废水的特征为四高i 高酸浓度、高碱浓度、高无 机盐( 主要是氯化钙等) 含量和高有机物( 主要是溶解性蛋白质、色素和脂肪 等) 含量。导致壳聚糖生产工艺污染严重，同时太量有用资源被浪费。因此，本 文也对壳聚糖生产工艺废水进行了资源化处理研究，调整和改进了壳聚糖的生产 工艺流程，降低了酸碱消耗，回收了氢氧化钙、蛋白质等有用物质，并使洗涤水 回用，具有一定的环境和经济效益。 壳聚糖的脱乙酰度和分子量是表征壳聚糖絮凝性能的两个主要质量指标。壳 聚糖的制各流程不同，其质量不同。目前，用作絮凝剂而生产的壳聚糖还没有权 威的质量标准。如果把脱乙酰度9 0 以上的医药级壳聚糖用作水处理絮凝剂， 则是一种资源的浪费，而且脱乙酰度越高制备成本也越高。因此，本文综合了脱 乙酰度和分子量两个指标，对壳聚糖絮凝性能进行了考查，找出了壳聚糖作为絮 凝剂的最佳性能指标，为壳聚糖絮凝剂的制备提供一定的参考价值。 电镀、电子、冶金、机械加工等行业的生产过程中，均会产生含重金属离子 t v 大连理工大学硕士学位论文 的废水。目前多采用离子交换法、活性炭法、电解法、化学沉淀法等方法来处理 重金属离子废水。前两种方法的效果好，但费用高；后两种方法费用低，但效果 差。而壳聚糖作为一种含有大量n h 2 的高分子絮凝剂对重金属离子有很强的螯 和作用。本文以铜离子为模拟污染物，采用所制备的壳聚糖絮凝剂对影响絮凝效 果的因素进行了考察，并对其絮凝机理进行了探讨。对壳聚糖絮凝剂的应用提供 了参考依据。 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：碰丕日期：! ! ：i ：1 2 大连理工大学硕士学位论文 第1 章文献综述 1 1 絮凝剂的定义、分类 絮凝是水处理的一个重要方法，用来去除水中细小的悬浮物和胶体。絮凝 法可用于各种工业废水( 如造纸、钢铁、纺织、煤炭、选矿、化工、食品等工 业废水) 的预处理、中间处理、或最终处理及城市污水的三级处理和污泥处 理。它可用于除去废水中的悬浮物和胶体外，还用于除油和脱色。 各种废水都是以液体为分散介质的分散系。按分散相粒度的大小，可将废 水分为：粗分散( 浊液) ，分散相粒度大于l o o n m ：胶体分散系( 胶体溶 液) ，分散相粒度1 一l o o n m ；分子离子分散系( 真溶液) ，分散相粒度为 0 1 一l n m 。粒度在l o o u m 以上的浊度可采用自然重力沉淀或过滤处理，粒度 0 1 l n m 的真溶液可采用吸附法处理，l n m l o o u m 的部分浊液和胶体可采用 混凝处理法。“。 众所周知，絮凝剂就是向各待处理水体中加入的药剂，使水中胶体体系在 所加絮凝剂的作用下，相互接触、碰撞脱稳凝集成一定粒径的聚集体，脱稳的 聚集体由于进一步碰撞、化学粘结、网捕卷扫、共同沉淀等作用而聚集成絮状 体( 矾花) ，最终借助重力的作用而沉淀，以达到固液分离得的目的。因此， 在絮凝处理过程中，絮凝剂的种类、性质、品种的好坏是关系到絮凝处理效果 的关键因素。有了性能优异的絮凝剂，通过控制合适的加药量及混合方法，加 之后续合理的沉淀过滤工艺，便能获得理想的处理效果。所以，开发新型、高 效的絮凝剂一直是水处理工作的研究热点。“。 目前使用混凝剂如下图所示，主要分为无机和有机两大类“”。絮凝剂最 早是使用铁、铝的无机盐类及聚盐类。由于无机絮凝剂的使用受p h 值变化影 响较大，生成的絮体易碎、处理后的水中仍含有较高浓度的金属离子，同时产 生大量的含金属污泥，需要迸一步的复杂处理步骤。为此，人们开发出些有机 絮凝剂( 主要是p a m 系列的合成高分子有机物) 来弥补无机絮凝剂的不足。其 中有机高分子絮凝剂与无机絮凝剂相比，具有用量少、p h 适用范围广，受盐类及 环境条件影响小，污泥量少，处理效果好等优良性能。有机高分子絮凝剂又叮 壳聚糖絮凝剂制各工艺改进及其絮凝性能研究 分为天然和合成两大类。合成有机高分子絮凝剂由于分子量大，分子链官能团 多的结构特点，在市场上占绝大优势，其中以聚丙烯酰胺系列最为广泛。有机合 成高分子絮凝剂的确在许多方面比无机絮凝剂优越，譬如，它的使用受p h 变化 的影响较小，产生的絮体大且强度高，絮凝产生的污泥较少且产生污泥的脱水性 能好、易于过滤操作等。但是它仍有不可避免的缺陷，主要体量现在：它对絮 凝的胶体表现出很大程度的选择性，絮凝后的上清液清澈程度较差，本身不易被 硫酸铝 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 1 8 h 2 0 明矾 a 1 2 ( s 0 4 h k 2 ( s 0 4 ) 3 2 4 h 2 0 聚合氯化铝( p a c ) a 1 2 ( o n h c l 6 - 。 。 硫酸亚铁 f e s 0 4 7 h 2 0 硫酸铁 f e 2 ( s 0 4 ) 3 三氯化铁 f c c l 3 6 h 2 0 聚合三氯化铁 广肛铖l 鬈篓篡嚣， 有机l b 天然高分子淀粉、壳聚糖、树胶、动物胶等 生物降解而影响后续处理，最令人担忧的是有机合成高分子絮凝剂是否会对人体 健康产生长期的影响，包括其长期毒性j 致癌性、致突变性等，尚未有结论。因此， 一些发达国家如日本、美国等均已禁止在饮用水的处理中使用上述的有机高分子 絮凝剂。天然有机高分子絮凝剂由于原料来源广泛，价格低廉，无毒，易于生物降解 等特点显示了良好的应用前景。目前研究的比较广泛的天然高分子絮凝剂主要有 淀粉和壳聚糖等。而壳聚糖由于其自身结构特性在水处理中展现了良好的应用前 景。 广fl镁 盐 盐 酸 铝 铁 碳 一 h 机无 大连理工大学硕士学位论文 1 2 壳聚糖来源及性质 1 2 1 壳聚糖来源 地球上存在的天然有机化合物中，数量最大的是纤维素。其次便是甲壳素， 估计自然界每年生物合成的甲壳素将近1 0 0 亿吨“1 。甲壳素是地球上数量最大的 含氮有机化合物，其次才是蛋白质。甲壳素在自然界的存在，大体可归纳为以下 几个方面： ( 1 )节肢动物：主要是甲壳纲，如虾蟹等，含甲壳素高达5 8 _ 8 5 ；其 1 次是昆虫纲( 如蝗、蝶、蚊、蝇“3 、蚕等蛹壳。1 等含甲壳素2 0 一 6 0 ) 、多足纲( 如马陆，蜈蚣等) 、蛛形纲( 如蜘蛛、蝎、螨、蜱 等，甲壳素含量达4 2 2 ) 。 ( 2 )软体动物：主要包括双神经纲( 如石鳖) 、腹足纲( 如鲍、蜗牛) 、 掘足纲( 如角贝) 、瓣鳃纲( 如牡蛎) 、头足纲( 如乌贼、鹦鹉) 等，甲壳素含量达3 2 6 。 ( 3 )环节动物：包括原环虫纲( 如角窝虫) 、毛足纲( 如沙蚕、蚯蚓) 和 蛭纲( 如蚂蟥) 三纲，有的含甲壳素极少，而有的则高达2 0 3 8 。 ( 4 )原生动物：简称原虫，是单细胞动物，包括鞭毛虫纲( 如锥体虫) 、 肉足虫纲( 如变形虫) 、孢子虫纲( 如氓原虫) 、纤毛虫纲( 如草履 虫) 等，含甲壳素较少。 ( 5 )腔肠动物：包括水螅虫纲( 中水螅、简螅等) 、钵水母纲( 如海月水 母、海蜇、蟹水母等) 和珊瑚虫纲等，一般含甲壳素很少，但有的 也能达3 3 0 。 ( 6 )海藻：主要是绿藻，含有少量甲壳素。 ( 7 )真菌：包括子囊菌、担子菌、藻菌等，含甲壳素从微量到4 5 不 等，只有少数真菌不含甲壳素。 ( 8 )其他：动物的关节、蹄、足的坚硬部分，以及动物肌肉与骨结合处 均有甲壳素的存在。 壳聚糖絮凝剂制备工艺改进及其絮凝性能研究 除此之外，在植物中也发现低聚的甲壳素或壳聚糖。 1 2 2 壳聚糖结构及定义 甲壳素是一种天然高分子化合物，属于碳水化合物中的多糖，其学名是e 一 ( 1 ，4 ) 一2 一乙酰氨基一2 一脱氧一d 一葡萄糖，是由n - 乙酰氨基葡萄糖以1 3 一( 1 ，4 ) 糖苷键缩 合而成的，其结构式见图1 1 。 h c 一0 ； c h 3 f h 3 c 一0 c h 3 图1 1 甲壳素结构 f i g 1 1t h ec o n s t r u c t i o no fc h i t i n 甲壳素结构式中糖基上的n 乙酰氨基大部分被去掉的话，就是甲壳素最为 重要的衍生物壳聚糖，其结构式见图1 2 。 0 o 图1 2 壳聚耱结构 f i g1 2t h e c o n s t r u c t i o no fc h i t o s a n 一般而言，甲壳素n 一乙酰基脱去5 5 以上的就可以称之为壳聚糖，或者说 能在1 乙酸或l 盐酸中溶解1 的脱乙酰甲壳素，这种脱乙酰甲壳素被称之为 壳聚糖。作为工业品的壳聚糖，脱乙酰度须在7 0 以上。 o h j 川o p m k 纠 麒匕。 l 萨h瞄。 尸删飚删 | 大连理工大学硕士学位论文 n 一脱乙酰度在5 5 7 0 的是低脱乙酰度壳聚糖，7 0 8 5 的是中脱乙酰度 壳聚糖，8 5 9 5 的是高脱乙酰度壳聚糖，9 5 1 0 0 的是超高脱乙酰度壳聚 糖。n 一脱乙酰度1 0 0 的壳聚糖是很难制各。 甲壳素的每个糖基上，或者有n 乙酰基，或者没有n 乙酰基，凡是n 乙酰 度在5 0 以下的，都被称之为甲壳素，因为它肯定不溶于上述浓度的稀酸。由 此可见，壳聚糖与甲壳素的差别，仅仅是n 脱乙酰度不同而已。 1 2 3 壳聚糖的性质 ( 1 ) 物理性质 壳聚糖系白色或淡黄色片状固体，或青白色粉粒；不溶于水j 乙醇和丙酮，可 溶于稀酸溶液中；( 常用的有乙酸、乙二酸、柠檬酸、甲酸、乳酸、苹果酸、丙 二酸、草酸、丙酸、丙酮酸、酒石酸等) 在酸性介质中，壳聚糖分子中的n h 2 被 质子化为( r - n h ”) n ，产生酸性溶解，而未被脱乙酰基的甲壳质无溶解性。因此， 壳聚糖的溶解性与脱乙酰度密切相关“1 ，脱乙酰度不同溶解度不同“1 ：壳聚糖的 毒性属于无毒级。 壳聚糖有很好的吸附性、成膜性和通透性、成纤性、吸湿性和保湿性。 但1 化学性质 由于羟基、乙酰基、氨基的存在，壳聚糖可发生n 一酰化。“，交联。”、接枝 2 “、酚化：醚化“、酯化”、羟甲基化、烷基化3 等反应。这使壳聚糖的絮凝 性质大大加强，迸一步拓宽了壳聚糖的絮凝范围。 1 2 4 壳聚糖溶液的性质 c h 2 0 h o 图1 3 壳聚糖在稀酸水溶液中的溶解 f i g1 3t h ed i s s o l v i n go fc h i t i ni ns o u ra q u e o u ss o l u t i o n 由于壳聚糖在应用时多被溶解在酸性溶液中，所以壳聚糖溶液的性质对壳聚 糖的应用研究也是十分重要的。壳聚糖在一些低浓度无机酸和有机酸中的溶解， 一5 一 壳聚糖絮凝剂制各工艺改进及其絮凝性能研究 实质上是依靠壳聚糖分子链上众多的游离氨基，这些氨基的氮原子上具有一对未 共用的电子，只是氨基呈现弱电性，于是便能从溶液中结合一个氢离子，如图 1 3 所示，从而使壳聚糖成为带阳电荷的聚电解质，破坏了壳聚糖分子间和分子 内的氨键，使之溶于水中，因此，实际上不是壳聚糖溶于稀酸中，而是带阳电荷 的壳聚糖聚电解质溶于水中。 hh 图1 4 壳聚糖分子内氢键1 f i 9 1 4t h eh y d r o g e nk e y i nc h i t o s a n1 1 2 5 壳聚糖溶解的影响因素 壳聚糖的溶解，至少要受3 个因素的影响。 图1 5 壳聚糖分子内氢键2 f i 9 1 5t h eh y d r o g e nk e y i nc h i t o s a n2 ( 1 ) 脱乙酰度 脱乙酰度越高，分子链上的游离氨基越多，离子化强度越高，也就越易溶于 水；反之，脱乙酰度越低，溶解度越小。 ( 2 ) 相对分子量 壳聚糖分子在分子内和分子之间形成许多强弱不同的氢键图1 4 至1 7 ，使 得分子链彼此缠绕在一起且比较僵硬，造成相对分子质量越大，溶解度越小。当 酸浓度和体积相同、样品量一样、样品的脱乙酰度也相同时，相对分子质量高的 壳聚糖比相对分子质量低的样品溶解的慢，溶解度也要小一些。相对分子质量小 一6 大连理工大学硕士学位论文 于8 0 0 0 的壳聚糖可直接溶于水而不必借助于酸的作用。 ( 3 ) 酸的种类 壳聚糖并不能溶解于所有的稀酸，如稀硫酸、稀磷酸就不能溶解壳聚糖。加 热和搅拌能促进壳聚糖的溶解”1 ，但同时也伴随着壳聚糖的少量降解，如果温度 高，时间长。酸浓度大，搅拌太激烈，则壳聚糖分子量降解的更厉害。 o 图1 6 壳聚糖分子间氢键1 f i 9 1 6t h eh y d r o g e nk e y b e t w e e nc h i t o s a n s1 h 图1 7 壳聚糖分子间氢键2 f i g 1 7t h e h y d r o g e nk e y b e t w e e nc h i t o s a n s2 0 1 2 6 壳聚糖溶液的稳定性 壳聚糖的糖苷键是半缩醛结构，如图1 8 所示。这种半缩醛结构对酸是不 稳定的。壳聚糖的酸性溶液在放置过程中，会发生酸催化的水解反应，壳聚糖分 子的主链不断降解。粘度越来越低，相对分子质量逐渐降低，最后被水解成单糖 和寡糖。所以，壳聚糖溶液在使用时需现用现配。 壳聚糖絮凝剂制备工艺改进及其絮凝性能研究 1 。3 壳聚糖制备原理、方法及特点 1 3 1 甲壳素的提取 0 o 倒1 8 半缩醛结构 f i 9 1 8t h e c o n s t r u c t u r eo fh e m i a c e t a l 甲壳素的提取方法归纳起来为“二脱”1 ：一是脱除无机盐，主要为碳酸钙 ( 酸浸) c a c 0 3 + h c i c a c l 2 + h 2 0 + c 0 2 ：二是脱除节肢动物中的蛋白质、脂肪 ( 碱煮) 如图1 9 所示。提取方法的差异在于“二脱”的先后次序和工艺条件。 7 h 2f h 2 r c 屯一c 0 0 h + n a o h r c h 2 一c o o n a + h 2 0 图1 9 蛋白质的溶解 f i 9 1 9t h er e m o v i n go fp r o t e i n 1 3 2 壳聚糖的制备 壳聚糖是由甲壳质经4 0 7 0 浓碱液加热至8 0 。c 1 4 0 c 处理数小时，脱 去n 一乙酰基的衍生物r n h c h 3 c o + n a o h c h 3 c o o n a + r n h 2 。随脱乙酰度的 不同，其分子链中存在含量不同的2 n 一乙酰基葡萄糖和2 胺基葡萄糖两种结构 单元。 1 3 3 脱乙酰基原理 甲壳素是酰胺类多糖，壳聚糖的制备过程，就是酰胺的本解过程。酰胺可在 强酸或强碱条件下水解，对低分子的酰胺，水解可以进行的比较安全，但对于多 糖来酷，强酸更容易水解糖苷键，所以甲壳素的脱乙酰基，一般情况下不采用强 大连理工大学硕士学位论文 酸水解；相对来说，强碱造成糖苷键的断裂不像强酸那末严重，所以都用强碱来 脱乙酰基。 酰胺的碱水解是一个亲核取代反应。酰胺和其他羧酸衍生物一样都含有羰 基，羰基的存在，给亲核进攻提供了一个目标。 羰基碳原子是用。键和其他3 个原子连接的，所用的是s p 2 轨道，羰基碳原 子剩下的p 轨道与氧原子的p 轨道重叠而形成1 个n 键从而使c 、0 之间形成双 键，并使羰基与其他2 个与c 原子连接的原子都处一个平面之中，羰基与这2 个原子之间间隔1 2 0 。 在碱性水解中，o h 。有极强的亲核性和较小的体积。由于羰基碳带有正电 荷，o h 一就首先进攻羰基碳，使原来的平面三角形的酰胺基变成四面体的过渡 态，这时部分负电荷在氧上。四面体的过渡态很快变成四面体的中间态，这时部 分负电荷在氧上。四面体的过渡态很快变成四面体的中间体，负电荷也在氧上。 这是反应的第一步，是o h 对酰胺的加成，从反应物到中间体之问存在着平衡， 是可逆的。第二步，是碱性基团的离去，这时才出现取代反应。整个反应历程可 表示如图1 1 0 ： 彩# 1 0 +r n h 图1 1 0 碱性基团脱除过程 f i 9 1 1 0t h e r e m o v i n go f a c c t y l a t i o n 甲壳素糖残基的c 2 位的乙酰胺基与c 3 位的羰基处于反式结构，如图1 “所 示。由此带来一些问题： 第一，反式结构对大多数化学试剂是稳定的，包括碱的水溶液，因此甲壳素的 n 一脱乙酰基是比较困难的。 第二，在脱乙酰基的过程中，随着n 一乙酰基的不断减少，剩余的n 乙酰基更难 脱去，所以要想获得1 0 0 游离氨基的壳聚糖是十分困难的。 第三，在强烈的脱乙酰化反应条件下，不可避免地要发生主链的断链降解，但碱 处理对大分子链的破坏比酸处理要小锝多，因为糖营键对酸是不稳定的，对碱较 9 一 广 一 尸_。，知 一 壳聚糖絮凝剂制备工艺改进及其絮凝性能研究 为稳定，所以甲壳素的脱乙酰基大都采用强碱法。 图1 1 1 甲壳素空间结构图 f i 9 1 1 1t h es p a c ec o n s t r u c t i o no fc h i t i n 1 3 4 目前国内、外报道的壳聚糖生产工艺 壳聚糖的提取方法归纳起来为“四脱”嘲，一是脱除节肢动物中的无机盐 ( 酸浸) ；二是脱除蛋白质、脂肪( 碱浸) ；三是色素( k m n 0 4 、n a r i s 0 4 氧化还 原) ；四是脱除乙酰基。关于壳聚糖的制备方法，报道的比较多。纵观这些制各方 法，比较集中的有以下几种： ( 1 1 碱熔法 早在1 8 9 4 年，w i n t e r s t e i n 及h o p p e rs e y l e r 等人就分别发明了碱熔法船“”3 使甲壳素脱除部分乙酰基的技术，后来有不少人做了改进。现在比较标准的做法 是：将3 0 9 甲壳素与1 5 0 9 片状固体氢氧化钾在镍坩埚中共溶，用氮气保护，在 1 8 0 。c 2 t l 热搅拌3 0 r a i n 熔融，然后小心到入乙醇中。生成的胶状沉淀用水洗到中 性，得到壳聚糖。 ( 2 ) 碱液法 5 0 9 甲壳素用2 4 l 4 0 的氢氧化钠溶液在1 1 5 c 保温6 h ，用氮气保护。脱乙 酰度8 5 把上述产物用1 0 倍量的4 0 氢氧化钠溶液在9 0 。c 力i 热搅拌1 h ，再反 复离心和洗涤，则可得到脱除9 7 乙酰基的产物。 r 3 ) b r o u s s i g n a c 法 将9 5 乙醇2 5 份( 质量比) 与乙二醇2 5 份混合均匀，然后把5 0 份研细的 固体氢氧化钾一点一点地加入搅拌着的混合溶剂中，溶解的过程放出热量，温度 可达到9 0 。c ，反应装置可用玻璃的或不锈钢的。不锈钢的反应锅中装入3 6 0 k g 混合试剂和2 7 k g 甲壳素，反应温度为1 2 04 c ，接近混合液沸腾，甲壳素在投入 前要干燥。脱乙酰化反应的时间可根据乙酰度的要求来决定。反应1 6 h 的壳聚糖 游离氨基约达8 3 ，再延长时间也不能再提高游离氨基的含量。 大连理工火学硕士学位论文 ( 4 ) f u j i t a 法 这是日本的一个专利，其特点是烧碱用量比其它的方法要少的多，但一直没 有推广应用。其法是将1 0 份5 0 的氢氧化钠混合扮匀，再与1 0 0 份液体石蜡混 合，于1 2 0 。c 加热搅拌2 h ，然后将反应混合物倾入8 0 份水中，冷却，过滤，用 水充分洗涤，干燥，脱乙酰度达9 2 。这个方法虽然烧碱用量很少，但液体石 蜡用量很大，如果液体石蜡能反复使用，而且不影响每次生产的壳聚糖的脱乙酰 度，则还是比较有价值的。但温度太高，液体石蜡变色严重，即发生炭化，就不 能多次使用。 ( 5 ) k e n n e 和l i n d b e r g 法 这个方法可以用于各种n 乙酰的氨基多糖的n 脱乙酰。多糖的主链很少断 裂，而且可以通过透析获得纯度较高的多糖。这种方法适合于实验室少量制备， 具体操作如下： 1 0 5 0 r a g 甲壳素，4 0 0 m g 氢氧化钠和1 0 0 m g 苯硫酚溶解在l m l 的水中，加 入5 m l 二甲亚砜，通入氮气保护，加热搅拌，反应温度为8 0 1 0 0 ，反应时间 2 - 1 5 h 。反应完全后，冷却，离心分离，在水中透析2 4 h ，再分离一次，干燥得 壳聚糖。 ( 6 ) 不用烧碱的脱乙酰法 1 0 m g 甲壳素和1 0 0 m g 苯硫酚钠溶液溶于l m l 水中，加入5 m l2 m o l l 的 甲亚硫酰甲醇钠的二甲亚砜溶液，在封管中加热到1 0 0 反应1 5 r a i n ，此时产生 氢氧化钠和二苯基二硫化物沉淀。苯硫酚钠在反应中主要作用是捕集反应体系中 的氧，从而阻止糖键的降解，当苯硫酚钠的使用量较高时，也其催化作用。 ( 7 ) 水合肼法 水合肼和1 0 氢氧化钠以1 ：1 的比例混合，可有效脱去甲壳素的乙酰基，这 个方法是不用浓氢氧化钠溶液，还可部分回收肼。但此法只适合于实验室制备， 难以工业生产。一是水和肼太贵，生产成本太高，二是水和肼有巨大的毒性。 ( 8 ) 传统的两步法 净虾蟹壳曼墅坠! ! l 除无机盐的甲壳素然瞳些堂皇鱼坐亟型鲤2 - + 甲壳素 些业堕k 壳聚糖 ( 9 ) 改进的步法 壳聚糖絮凝剂制各： 艺改进及其絮凝性能研究 取消脱蛋白步骤，在原工艺第三步一起脱蛋白、色素、乙酰基。如果考虑到 脱乙酰阶段碱的回用，本法由于废碱液中含有大量的蛋白物质则不能回用，这样 虽然在脱蛋白阶段省了一部分碱，但在脱乙酰阶段高浓度的碱实际并没有被节 省。 净虾蟹壳醚m ! 堑一除无机盐甲壳素幽鱼- 照垒二些煎地型丝笪】_ + 壳聚糖 ( 1 0 ) 微波法 在脱乙酰基过程中，用微波炉加热方式代替电加热、蒸汽加热或直接火加 热，是随着微波技术和设备进步而出现的项新技术。其可以在极短的时间内达 到比传统更高的活化状态，从而大幅度缩短碱处理时间。但此法的设备投资相对 化学法来说比较大，而且设计时要考虑到微波辐射的泄漏对人的伤害。 净虾蟹壳鲤；l 监一除无机盐甲壳素幽氇卫坠盥堡地盟一壳聚糖 ( 1 1 ) 先后两次酸浸、碱煮法 在废酸液及废碱液中含有一些剩余的酸碱，如果排放掉比较可惜。二次回用 浸泡可以对酸碱进行一些回收利用。 虾蟹壳一次酸浸墅垒墼一二次酸浸+ 碱浸堂战幽盥韭壁一 碱煮型垄墨些k 脱乙酰 ( 1 2 ) 先两次碱煮、后两次酸浸法 用于脱钙的盐酸相当一部分被壳体内的蛋白质吸附，脂肪和蛋白质形成一定 屏障，阻碍酸中h + 向壳体的渗透，先脱蛋白再脱钙可以解决这个问题。但由于脱 钙后下一步就要在浓碱下脱乙酰，如果余酸及钙离子没有洗净，对脱乙酰有一定 的影响。 虾蟹壳一碱浸幽些熊幽垫一碱煮- 一次酸浸盟邕墼一二次酸浸 型迤型k 脱乙酰 ( 1 3 ) 酶法 甲壳素脱乙酰酶是一种催化甲壳素中n 乙酰基d 葡糖胺的乙酰胺基水解的 酶。该酶首次报道是在1 9 7 0 8 0 年代，从真菌培养液中及在植物病原体中发现甲壳 素脱乙酰酶。此后又有相继的报道：在其它一些真菌中，如ab s i d i ac o e r u l e a ， a s 2 p e r g i l l u sn i d u l a n s 等也分离得到类似的活性酶，甚至在某些昆虫中也存在甲壳 12 大连理工大学硕士学位论文 素脱乙酰酶。”1 。另有报道说在感染了c o l l e t o tr i c h u ml a g e n a r i u m 的黄瓜叶中也存 在甲壳素脱乙酰酶“。1 9 9 8 年，s r i n i v a s a n 从市区废水中分离出一种未知菌，这 种菌能够将甲壳素脱乙酰化制成更为有用且易溶的壳聚糖。通过细菌可以使甲壳 素向壳聚糖的生物转化变得更为经济，且不污染环境。该细菌在大批发酵体系中 比真菌更易生长，速度更快。此外，该细菌可以无需纯化而被直接加以利用。 s r i n i v a s a n 也因此获得了专利。将甲壳素脱乙酰酶应用于壳聚糖的制备中，不仅可 以有效地从甲壳素分子中脱除乙酰基，而且不会把甲壳素的长链降解为小分子，也 不存在排放废碱液而对环境造成严重污染。利用甲壳素脱乙酰酶的作用，可以制 各出高脱乙酰度且性能独特的壳聚糖。尤其是在生物、医学方面，所应用的壳聚 糖质量要求较高的情况下。但如果作为水处理中絮凝剂的制备工艺方法，其成本 比化学法要高很多。 综上所述，国内外目前制各壳聚糖的方法有很多，在传统工艺的基础上，也 有许多人做了生产工艺的改进，但大多仍存在很多问题，如操作步骤多、生产周 期长、原料和能量消耗大、生产成本高、废水排放造成环境污染等问题还需进一 步解决。 1 3 5 制备的影响因子 壳聚糖重要的质量指标是脱乙酰度和分子量，而工艺条件对2 种指标的兼顾 相矛盾”1 。碱液的浓度、反应温度、反应时间3 因素中，其中2 个因素定时，另 1 个因素与脱乙酰度成正比，与分子量成反比。如液碱的质量分数和加热温度一 定时，时间与脱乙酰度成正比，与分子量成反比；反之亦然。 1 4 壳聚糖絮凝剂配制及其絮凝性能研究 1 4 1 壳聚糖絮凝剂的配制 壳聚糖由于其本身结构的特性及无毒、抑菌、杀菌作用，是水处理理想的絮 凝剂。但壳聚糖本身是不溶于水的，用作絮凝剂时，还需溶解到稀酸溶液中。目 前常用的是0 1 m o l l 的稀盐酸，絮凝剂浓度根据需要而定，般配制为l g l 的 壳聚糖盐酸溶液。由于其溶液的不稳定性，壳聚糖絮凝剂需现用现配。 壳聚糖絮凝剂制备工艺改进及其絮凝性能研究 1 4 2 壳聚糖在水处理中的应用 由于壳聚糖具有良好的絮凝特性，被广泛得应用于水处理当中。 ( 1 ) 壳聚糖絮凝剂在给水及饮用水当中的应用 饮用水的处理，目的就是产生一种使用时对人体有生物安全和化学安全的 水，同时对人的感观( 包括浊度、色度、硬度、气味等) 要好。传统方法使用的絮 凝剂大多为铝盐。但是有报道指出，人体吸收过量的铝盐会诱发某种疾病。为 此，人们寻找其它的絮凝剂来代替。壳聚糖因其天然、无毒、安全性被美国食品 药物管理局批准作为食品添加剂，被美国环保局批准作为饮用水的净化剂，在给 水及饮用水处理方面显示了其独特的优越性。 ( 2 ) 壳聚糖絮凝水中的重金属离子 金属磨光业，电镀业，表面处理工业，印刷电路板产品等废水中含有大量金 属离子，常规处理方法有：氢氧化物沉淀，碳酸盐沉淀，硫化物沉淀。但是，当 废水含有螯合剂时( 柠檬酸盐，酒石酸盐，乙二胺，e d t a ，甘氨酸等) ，以上 技术是不行的。在这种情况下，仅当螫合结构被破坏以后，金属离子才能被去 除。而其它的一些方法：膜过滤，离子交换，吸附，与壳聚糖沉淀相比就昂贵得 多了。已见报道可以被壳聚糖絮凝的重金属离子有：铝。3 ，砷。”，金“，镉， 铜“，镍”，锌“，铂3 等等。 ( 3 ) 壳聚糖絮凝处理印染废水 印染废水的两大污染指标是色度和c o d ，污染的特点和处理的难点是色度 高，脱色困难，影响感观。印染废水的脱色，常用的经济而又有效的方法是化学 絮凝。传统方法对那些水溶性极好，分子量较小的染料脱色效果差，往往达不到 处理要求，如要处理到达标，通常处理成本较高。而壳聚糖对水溶性较好的阴离 子型染料有着很好的脱色效果。 ( 4 ) 壳聚糖絮凝乳化液 就处理乳化液而言，目前有很多方法。如：直接用重力方法分离，或者加入 盐或酸然后加热，另外也可以用铁、铝的氢氧化物来沉淀或吸收。在这些方法 中，除了采用吸附的办法外，其他方法很难达到所要求的低浓度。一个主要的原 因是表面活性物质的存在。先已有报导，采用壳聚糖处理乳浊液已取得了良好的 效果。4 。 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 除色 壳聚糖的除色能力已得到公认，目前已得到广泛的应用。如：处理纸浆废 水，除色率可达9 5 ”。 ( 6 ) 絮凝菌体 对于微生物发酵工业而言，起催化作用的菌体，由于对后续工艺有危害作 用，需要去除。一般说，去除费用占发酵产品总成本的4 0 6 0 。所以改进下 游处理工艺，很有必要。但是不少菌由于其粒径小与发酵液间的密度差小，常 在发酵液中形成胶体溶液，用一般重力沉降无法分离。用离心沉降投资则过 大。用过滤分离，则形成可压缩的胶粘状滤饼，极易把滤布堵死，使过滤效率 下降。基于以上原因，传统常规的分离方法，不但耗时，耗能，工序窘长，而 且效率低。壳聚糖的无毒性使其可以应用到食品工业“。瑞典大学用壳聚糖 来沉淀小麦芽孢，用壳聚糖絮凝大肠杆菌，国内某些工厂和研究所用其分离谷 氨酸菌体都取的良好效果。